OBJETIVOS DE LA PRÁCTIC - Manipular un Viscosímetro Saybolt

Laboratorio
Laborat
orio de Operaciones Unitarias I
1
República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Instituto Universitario de Tecnología “Alonso Gamero”
Laboratorio de Procesos Químicos
Operaciones Unitarias I
PRÁCTICA
VISCOSIMETRÍA
OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA
PRÁCTICA:
- Manipular un Viscosímetro de
Saybolt Universal.
- Determinar
la
viscosidad
cinemática de un aceite
lubricante
comercial
a
distintas temperaturas.
- Determinar
la
viscosidad
absoluta de un aceite lubricante
comercial.
- Clasificar el aceite
acei lubricante
según el grado de viscosidad
establecido en la norma
Covenin 1121:1999.
- Graficar el comportamiento de
la viscosidad Cinemática del
Lubricante en función de la
temperatura.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
TEÓRICOS:
Viscosidad
absoluta
y
cinemática.
La viscosidad absoluta de la
mayoría de los fluidos muestra una
gran variación con la temperatura;
pero es relativamente insensible a
la presión, a menos que ésta
alcance valores elevados. Para los
gases
que
están
a
una
temperatura doble de la crítica, las
variaciones de la viscosidad con la
presión son insignificantes, hasta
que se alcanzan valores de la
presión muy próximos a la presión
crítica. En el caso del aire a la
temperatura
ambiente,
las
presiones a las que son notables
las variaciones de viscosidad, son
de aproximadamente 350 kg/cm2.
En la mayoría de los casos de
interés, puede desecharse el efecto
de la presión sobre la viscosidad
de los líquidos. Por ejemplo, para
un cálculo aproximado del efecto
de la presión en los aceites
derivados del petróleo, se supone
que un incremento de 15 kg/cm2
en la presión, produce un cambio
en la viscosidad equivalente a la
reducción de 1°F (-17.2°C)
(
en la
temperatura.
Los cambios de temperatura
originan variaciones opuestas en la
viscosidad
dad de los líquidos y los
gases. Así, una disminución de
temperatura hace decrecer la
viscosidad de un gas, mientras que
en los líquidos la aumenta. Este
aumento de viscosidad en los
líquidos,
al
reducirse
la
temperatura, queda claramente
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comprobado, cuando pretendemos
poner en marcha un automóvil en
los fríos días del invierno.
Las diferencias en la variación de
viscosidad con la temperatura, en
líquidos y gases, se comprenden
cuantitativamente, si analizamos
los mecanismos básicos que dan
origen a la viscosidad. Se ha
determinado que este mecanismo
en los gases, a bajas presiones, es
predominantemente
un
intercambio
molecular
de
cantidades en movimiento. Puesto
que las moléculas de los gases
están en continuo movimiento,
podemos suponer que cuando una
corriente de gas fluye en una
dirección dada, tendrá lugar algún
movimiento
molecular
en
la
dirección normal del flujo.
Las moléculas con menor velocidad
emigran hacia las zonas de mayor
velocidad de flujo, chocan con
otras y las obligan a reducir su
velocidad. También se registra una
migración general de las moléculas
de mayor velocidad a las zonas
más lentas, con el consiguiente
intercambio de las cantidades de
movimiento, los cambios de
cantidad de movimiento de las
moléculas entre las diversas capas
del gas, son la causa del fenómeno
que interpretamos como esfuerzo
tangencial
viscoso.
Se
ha
observado que la viscosidad de los
gases aumenta con la temperatura
y viceversa.
No es fácil explicar el efecto de la
temperatura sobre la viscosidad, en
los líquidos. Una de las principales
2
razones es que el mecanismo que
da origen a la viscosidad de un
líquido no se ha comprendido
totalmente. H. Eyring y sus
colaboradores, que han escrito
ampliamente sobre la viscosidad en
los líquidos, propusieron un modelo
más o menos aplicable. Este
modelo se basa en el concepto de
la existencia de huecos en un
líquido, hacia los que emigran las
moléculas líquidas, a condición de
que puedan vencer ciertas barreras
que las rodean. Un esfuerzo
tangencial aplicado a un líquido que
fluye, ocasiona una distorsión en las
barreras de potencial e incrementa
la frecuencia de los reacomodos
moleculares. De esta forma, se
puede calcular la velocidad molecular relativa, en la dirección del
flujo, y determinar el gradiente de
velocidad normal a la dirección del
flujo. Si se conoce el gradiente de
velocidad, se puede encontrar una
expresión de la viscosidad.
Las
unidades
de
viscosidad
cinemática son el stoke y el
centistoke.
La viscosidad cinemática de los
aceites se determina, a menudo,
con un instrumento llamado
viscosímetro universal Saybolt. La
parte fundamental de este aparato
es un recipiente cilíndrico que
tiene un orificio especial en su
base. El líquido que se va a
examinar se vierte en el recipiente
y se le permite desaguar a un vaso
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también especial. El tiempo, en
segundos, que necesita el líquido
para llegar a cierto nivel del vaso,
es una medida de su viscosidad
cinemática. Las unidades de
viscosidad
cinemática
así
determinadas
son
"segundos
universales
Saybolt".
Estas
unidades se pueden convertir a
métricas, utilizando la fórmula:
Donde ts viene dado en segundos
universales Saybolt.
La viscosidad de un fluido
newtoniano
depende
principalmente de la temperatura y
la estructura molecular y en menor
extensión de la presión, excepto en
el caso de presiones muy altas. Las
viscosidades de los gases a
temperatura ambiente están por lo
general entre 0.005 y 0.02 cP. No
hay una correlación simple con el
peso molecular. A 20°C la viscosidad
es de 0.018 cP para el aire, 0.014
cP para el dióxido de carbono,
0.007 cP para el vapor de benceno
y 0.009 cP para el hidrógeno.
Las viscosidades de los gases
aumentan con la temperatura,
como lo predice la teoría cinética.
La viscosidad de un gas es casi
independiente de la presión en la
región donde se aplica la ley de los
gases ideales. A muy altas
presiones
la
viscosidad
se
incrementa, especialmente en la
cercanía del punto crítico.
Las viscosidades de los líquidos son
generalmente mucho más grandes
que las de los gases y abarcan
3
distintos órdenes de magnitud. En
general, la viscosidad se incrementa
con el peso molecular y decrece
significativamente
cuando
se
aumenta la temperatura. Por
ejemplo, la viscosidad del agua cae
desde 1.79 cP a 0°C hasta 0.28 cP
a 100°C. La viscosidad de un líquido
aumenta con la presión, pero el
efecto
es
generalmente
insignificante a presiones menores
de 40 atm. En el apéndice 9 se
proporcionan datos para líquidos
comunes en un amplio intervalo de
temperaturas.
Las viscosidades absolutas de los
líquidos varían en un enorme
intervalo de magnitudes, desde casi
0.1 cP para líquidos cerca de su
punto de ebullición hasta tanto
como 106 P para polímeros
fundidos.
Los
materiales
extremadamente viscosos son no
newtonianos y no poseen una
viscosidad
única
que
sea
independiente de la velocidad de
corte.
La viscosidad es una propiedad de
gran importancia en el estudio de los
fluidos para el transporte de ellos.
Viscosidad Cinemática: es una
medida de la resistencia interna de un
líquido o un gas a fluir por gravedad,
siendo la presión en el cabezal
impulsor proporcional a la densidad del
fluido.
Esta propiedad se determina
mediante el uso de un instrumento
denominado Viscosímetro. Existen
gran variedad de estos instrumentos
de acuerdo a su construcción u
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operación; la utilización de estos va a
depender del tipo de fluido a estudiar,
del país en donde se encuentre o
según de lo que se disponga al
momento.
En este caso se va a utilizar el
Viscosímetro de Saybolt Universal
(de origen americano), perteneciente
a la clasificación de viscosímetro de
tubos, igual que el de OstwaldCannon -Fenske-Ubbelohde con la
diferencia que el primero es
construido en material de metal y los
segundos de vidrio en forma de U, no
necesitando el primero calibración. La
operación de estos, consiste en hacer
pasar a través de un tubo capilar
(calibrado) un flujo determinado de un
fluido a una temperatura constante.
Existen varios tipos de viscosímetros:
el Viscosímetro de Oswalt, el
Viscosímetro de Saybolt
(El
Universal, usado para ensayos de
aceites lubricantes y El Furol, para
aceites combustibles muy viscosos y
otros aceites semejantes).
Viscosímetro Saybolt
Está provisto de un corto tubo
capilar, midiendo el tiempo que
tarda en fluir 60 cm3 de fluido a
través del tubo capilar (orificio
universal
calibrado)
bajo
consideraciones específicas. El tiempo
en segundos es la lectura Saybolt.
La
ecuación
empírica
que
aproximadamente relaciona a la
viscosidad (v) con los segundos Saybolt
es la siguiente:
4
Donde:
v =
viscosidad cinemática en
cm2/seg.
θ =Segundos Saybolt en seg.
MATERIALES Y EQUIPOS:
Viscosímetro de Saybolt
Universal
Cronómetro
Termómetro
Aceite Lubricante
Agua como sistema de
enfriamiento
Hornilla y gas como
sistema
de
calentamiento
Beaker de 600 ml.
Guantes.
PROCEDIMIENTO
EXPERIMENTAL:
El alumno dispondrá en el laboratorio
del equipo que fue descrito en la
sección anterior, adicionando a este
el sistema de calentamiento que
está formado por una hornilla que es
alimentada a través de una bombona
cuyo contenido es gas comercial. Los
pasos a seguir de manera general son
los siguientes:
1. Agregar el agua al depósito
indicado (B).
2. Colocar en la parte inferior del
depósito (A) el tapón de goma (E).
3. Llenar el depósito (A) con el
fluido que se le va a medir la
viscosidad. Antes de realizar este
paso se debe filtrar el fluido de ser
necesario.
4. Poner a circular el agua de
enfriamiento que pasa a través del
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depósito (B). Esta debe ser de un
flujo estable.
5. Determinar la viscosidad a la
temperatura ambiente.
5.1. Colocar un beaker debajo
del tapón de goma.
5.2. Quitar el tapón de goma
(E).
5.3. En el momento que
caiga la primera gota en el
beaker
empezar
a
cronometrar el tiempo.
5.4. Detener el cronómetro en
el momento que se haya
recolectado los 60 cm3 de
muestra.
5.5. Repetir los pasos 2, 3 y
5.1 hasta 5.4 dos veces más.
6. Determinar la viscosidad a
temperaturas mayores a la del
ambiente.
6.1 Se debe ajustar la
temperatura
al
valor
deseado. Para ello se
enciende la hornilla (tomando
en cuenta las medidas de
seguridad pertinentes).
6.2.
Cuando
se
halla
alcanzado la temperatura
deseada (para ello se
dispondrá de un termómetro
que estará situado en el
depósito (A), se realizaran los
pasos descritos desde el 5.1
hasta 5.5.
7. Cuando ya se hayan realizado
todas las pruebas necesarias,
apagar la hornilla y dejar enfriar el
viscosímetro a una temperatura
razonable.
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MEDIDAS DE SEGURIDAD
Se debe llevar la temperatura
del fluido en estudio a 1.5 ° C
del valor deseado.
La persona que manipule el
tapón debe usar guantes.
Asegurarse de que las
válvulas que regulan la
alimentación de gas estén
previamente cerradas. Luego
proceder a abrirlas según
como se los indique el
profesor.
Encender el fósforo antes de
abrir la válvula que alimenta a
la hornilla.
RESULTADOS
Se
debe
realizar
una
representación gráfica de la
Viscosidad Cinemática en función de
la temperatura.
BIBLIOGRAFÍA
Antonio
Creus.
Instrumentación
y
Control.
Douglas Casidini. Manual
de
Instrumentación
Tomo I.
Arthur
Hansem.
Mecánica de los Fluidos.
Mc
Cabe;
Smith;
Harriot.
Operaciones
Unitarias en Ingeniería
Química.
Juan
José
Bolinaga.
Mecánica Elemental de
Fluidos.
Laboratorio
Laboratorio de Operaciones Unitarias I
Partes internas de un Viscosímetro de Saybolt Universal.
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